土压平衡顶管工程在南水北调配套工程穿越永年县中华大街中的应用

马建国

（河北省水利工程局，河北 石家庄 050021）

1 概述

在邯郸市南水北调配套二标工程中，配套管线与中华大街正交，需采用顶管方式穿越，顶管段自西向东穿越中华大街。顶管采用土压平衡顶管机顶进施工，在中华大街西侧设工作坑，东侧设接受坑，坑内壁采用锚喷支护，工作坑与接收坑在施工结束后填平。

2 顶力计算

F=F1+F2

式中F 为总推力，式中F1 为迎面阻力，F1=Pe*π*Bc2，其中Pe 为控制土压力，Bc 为管外径。Pe=PA+Pw+△p（PA为掘进所处土层的主动压力kPa，PA 一般为150-300kPa；Pw 为掘进所处土层的地下水压力kPa, Pw=Y水H埋深；△P 为给土仓的预加压力（kPa)，△P 一般为20kPa。

其中F2 为顶进阻力，F2=πBcfkL，fk 为管道外壁与土的单位面积平均摩擦力kN/m2其数值一般通过实验确定，如果采用出边泥浆减阻技术按下表选用，fk 为管外壁与土单位面积平均摩擦阻力kN/m2

?

F=Pe*π/4*Bc2+π*BcfkL

= (300+10*7.5+20) *3.14/4*(2.4)2+3.14*2.4*5*66

=1786+2487

=4273KN

3 顶管施工

（1） 土压平衡顶管原理

由于管道位于砂壤土层内，采用土压平衡顶管机施工，必须向泥土仓内注入以粘土为主的浆液，同时把它与切削下来的砂土一起搅拌。施工时控制顶进速度，螺旋输送机的实际排土量为顶管机推进过程中理论排土量的95%－100%。顶管机土仓内的压力与顶管机所处土层中土压力始终处于一种平衡状态。

（2） 后座安装

后座安装时必须与反力墙紧贴，与顶管轴线垂直。如不垂直应加后座调整垫，使调整垫与油缸的接触面垂直于顶管轴线。

（3） 主油缸安装

安装主油缸时应按操作规程施工，主油缸沿路必须并联，使每台千斤顶有相同的条件，每台千斤顶应有单独的进油退镐控制系，以后视顶力和土质、摩阻力情况增加台数。所有千斤顶规格应一致，同步行程应统一，且每台千斤顶使用压力不应大于额定工作压力的70%。为了减少后座倾覆、偏斜，千斤顶受力的全力位置应位于后座中间，千斤顶双层布置时，其合力位置在管道中心以下0-20cm 处，每层千斤顶高度应与环形铁受力位置相适应。

（4） 顶进

管道在顶进过程中，经常对顶进轴线和管底高程进行测量，检查顶进轴线是否和设计轴线相吻合。要求每顶进1 节混凝土管节测量1 次，在进洞、出洞、纠偏，适当增加测量次数。工作坑内应设置临时水准点，并应在交接班时进行校核，以保证测量的精度。

触变泥浆压送与顶进同时进行，由于顶管距离较长，工期亦相对较长，部分泥浆可能失水，应采取补浆措施，保持泥浆减阻的良好效果，同时要控制压浆量和压力。拆除注浆管路后，应将管道上的注浆孔封闭严密，对注浆设备清洗干净。

（5） 触变泥浆压注

顶进时形成的建筑空隙及时用润滑泥浆所填补，形成泥浆套，减少摩阻力和地面沉降，严格执行顶管注浆操作规程，由专人操作，质量员检查严格把好质量关。压浆时必须坚持先压后顶、随压随顶、及时补浆的原则，补浆应按顺序依次进行，每班不少于2 次循环，定量压注。

顶进过程中由于部分浆液流失到土层中去，因此必须利用混凝土管节上的压浆孔进行补浆。一般在一节管顶进结束后就补压浆，而且还要视每段顶进的阻力情况随机分段压浆。压浆量原则上控制在同步跟踪压浆量为管节外理论空隙体积的5 倍左右，补浆量为管节外理论空隙体积的3 倍左右。注浆压力值不宜过高也不宜过小，压力值控制在0.28~0.3Mpa。

（6） 顶管接头

本工程所用的顶管为钢筋混凝土Ⅲ级管，顶管接头采用钢筋混凝土管钢承口管橡胶圈接口。

（7） 基坑开挖及回填

土方开挖前应检查定位放线，合理安排土方运输车的行走路线和弃土场。施工过程中应检查平面位置、水平标高、边坡坡度、压实度，并随时观察周围的环境变化。本工程采用卷扬机吊斗运输出土方式，挖出土方要随挖随运，每班出土应当运出，不应堆在坑边，应尽量减少坑边的地面堆载。要按设计确定的开挖深度开挖，挖土机械、运输车位于基坑边时，宜采用搭设平台，铺设走道板等措施支撑承重设备，以减少边荷对挡土结构的侧压力。

土方回填前应拆除基坑四周支护结构，并清除基地的垃圾等杂物，抽除坑内积水、淤泥，验收基底标高。对填方土料按设计要求验收后方可填入，填方过程中应检查排水措施，每层填筑厚度、含水量控制、压实程度。填筑厚度及压实遍数应根据土质、压实系数及所用机具确定。

（8） 施工机械与设备见表2

4 施工监控及信息化管理

施工监控包括对顶进管涵的测量监控，顶进过程中对路面的监控，以及为保证公路稳定而必须进行的撑子面、管涵自身结构情况、基坑等的监控。对施工监控的成果进行信息化管理，出现异常情况时管理系统能及时准确的做出反应，快速根据情况采取强有力的措施。

表2 施工机械与设备

（1） 测量监控

在管涵顶进时必须进行严格的测量监控，以确保管涵施工的精度。根据测量数据通过调整千斤顶的顶力调整管涵的偏位。

（2） 路面监控

公路路面主要监测沉降、水平位移和裂缝。在顶管施工前在路面项管范围及周边顶管范围布测监测点，并对每一测点高程和水平位置详细记录，同时观察记录路面的裂缝情况，在顶进过程中对这些测点的高程、水平位移和路面的裂缝情况作定时监测和顶进时的监测，沉降观测时间从顶管开始一直到顶管完工后3 个月。顶管造成的地面沉降量未超过20mm。

（3） 压力监控

顶管机土仓内的压力控制在顶管机所处土层的主动土压力与被动土压力之间，使顶管机土仓内的压力与顶管机所处土层中土压力始终处于一种平衡状态。

（4） 基坑监控

随时对基坑边坡进行监控。

5 重点工序预防控制措施

（1） 纠偏预防措施

发现左右偏位后，应通过调整左右侧千斤顶的顶力来调整管节前进方向，另外必须每顶一镐测量一次，发现偏位立刻纠偏，以避免出现大偏位。

（2） 撑子面滑塌预防措施

顶进施工时坚持“吃土顶进”的原则，有时由于地质突然变化或机械操作人员失误操作可能会出现撑子面坍塌，当撑子面出现坍塌应立即停止顶进工作，在撑子面中插入钢管，钢管插入的密度根据坍塌的程度确定，坡脚用沙袋填压，必要时挂钢筋网喷射混凝土暂时封闭撑子面。

（3） 路面沉降处理措施

在正常情况下，路面不会发生影响车辆通行的沉降，但如果一旦发生意外情况，出现较大的沉降，影响了车辆的正常运行，需采取以下措施，尽快恢复交通并确保通行车辆安全：

在顶进施工前，须与交管部门联系，在顶涵处路面发生意外时，立刻封闭出现问题的车道。

为防止顶管顶进过程中地面沉降的发生，在原配浆的基础上，将水的掺量降低6%，来提高触壁泥浆的稠度，起到控制触壁泥浆的流失，可防止地面沉降的发生。

分析沉降原因，采取加大注浆压力或其它相应措施，确保施工不再出现较大沉降。

根据路面破坏情况采用压浆或铺钢板等方法快速修补路面，尽快恢复交通。

顶管施工完毕后，为防止地面下降，进行触变泥浆置换，注浆材料拟采用纯水泥浆。置换水泥浆的水灰比为1∶2.2，P＝0.2-0.5MPa，Q＝0.3m3.

（4） 空洞检测及压浆加固方案

对公路路界内顶管进行超声波或地质雷达检测。

根据检查结果，确定不密实或空隙部位。根据顶管管节预留注浆孔分布情况，合理布置注浆孔。

浆液选用1∶1 水泥浆，水泥采用P.O42.5 普通硅酸盐水泥，注浆压力应不小于0.5MPa，在注浆过程中加强监测。当发生路面隆起等异常情况时，可降低注浆压力或采用间歇注浆，直到停止注浆。

6 施工排水措施

（1） 合理采取防水措施，确保工程质量，保证工程的顺利进行。

（2） 工程开工前，现场做好三通一平。

（3） 密切关注天气预报，做好现场防雨排水准备工作。

（4） 做好临时排水总体规划，防止场外水流入现场和场内水排不到场外。

（5） 现场排水按照防排结合的原则，现场地形坡度不小于3%。

（6） 本工程地下水位较深，一次开挖时不考虑降低地下水位排水措施，基坑四周挡土，以防雨水流入基坑，浸泡基坑，影响施工及公路运行安全。

（7） 基坑四周设置排水沟，排水沟坡度3%，沟宽30cm，深度40cm，底部用水泥砂浆找平，厚度3cm，两侧用标准砖砌筑。

7 期间交通安全措施

施工期应与公路主管部门积极沟通，设置相应的标识，并相互协调组织，确保施工安全。

（1） 标识设置

穿越管线应在地面上设置耐久性标识，标识应设在管线中心线与公路用地最外延的交点。标识的内容包括：管线产权单位、管道输送物质名称、管道压力、管道埋深以及紧急联系电话。

（2） 穿越施工作业区应设置安全警戒区，防止无关人员进入施工现场，避免发生安全事故。

（3） 穿越施工路障设置时一定要明显，夜间要设置警示标志，路障处设专人执勤，必要时请交警部门配合。

8 其他注意事项

（1） 施工前务必要有沿线地勘资料，查明水位标高，土质情况，管涌现象，渗透系数等，确定可行的施工方案，确保施工安全。

（2） 混凝土顶管预制成型后，当结构强度达到100%后方可进行顶进作业。

（3） 管节预制、运输、存放时，应注意轻放，堆放的底面应平整，必要时铺设5－10cm 的砂浆垫层，使受力均匀，以免管节开裂。混凝土管吊运时，管下严禁站人。

（4） 顶管机及管道内照明用电应使用安全电压，动力电缆转换接插前，要先切断电源，后拔出插头。

（5） 管道内的电力电缆、控制电缆应悬挂固定，严禁随地铺设，外部照明要充足，安放高度不得低于3m。

（6） 施工区域有地下光缆时，需与有关单位联系协商，确定光缆的埋深及走向，采取可靠安全措施，以避免施工过程中对光缆造成损坏。

9 结语

土压平衡法顶管在南水北调配套管道穿越中华大街工程施工中，施工方案机械设备、顶力计算、材料及触变泥浆均满足设计和规范要求，安全施工措施到位，通过监控路面沉降满足规范要求。